常温下氮气流过毛细管流量特性的实验研究和数学模拟

    1　引　言

    毛细管是普遍应用于小型制冷设备、如空调和冰箱中的节流装置,具有结构简单、价格低廉、无运动部件等优点,它对整个系统的连续运行起着重要作用,其管长和管径是整个装置的主要优化参数,这些参数的选择直接关系到系统的制冷量及流量匹配等重要问题。在制冷工程中,设计者所关心的问题是:在给定制冷剂的进出口参数和制冷量的情况下,如何正确选择毛细管的几何尺寸,即要求所选择的毛细管的流动和摩阻特性与整个制冷系统相匹配。因此,制冷剂通过毛细管的流动和摩阻特性一直是人们所关心的问题。

    由于毛细管本身的内径很小,用于制冷系统的毛细管内径一般在0.6～0.3 mm之间,其内径在加工过程中造成的偏差对制冷剂流量造成的影响很大。特别是在我国,由于加工工艺的问题,尚不能很好地控制毛细管的内径偏差。在生产中必须对毛细管的内径偏差和内表面情况加以控制,这就需要一种检测手段。然而,在制冷设备中,毛细管内制冷剂的流量特性取决于众多变量,其中之一是毛细管的几何参数(长度、内径和内表面粗糙度),此外还有系统中毛细管的应用情况(构造与换热器的关系)、毛细管进口和出口处制冷剂的状态(压力、温度、纯度、含油量等),以及所使用的制冷剂种类。总之,在实际的制冷循环中,这些变量之间的关系较为复杂,以制冷剂流量来标定毛细管是不现实的,有必要找一种统一的、不以制冷剂为流动介质的毛细管测试方法。现在主要有几种手段:使用氮气作为流动介质以得到毛细管的阻力特性,另外还可以使用空气或水作为介质。作者使用干氮气作为流动介质来测试毛细管,用干氮气流量来反映毛细管的平均内径。

    国际标准规定了制冷用毛细管的实验方法,以此标准为毛细管制作厂家和用户之间的协议提供基础。另外我国国家标准(GB1531-87)中也规定了作为制冷用的高级铜或铜合金毛细管必须进行流量实验。国外学者很早就提出采用氮气或空气作为流动介质来测试毛细管的方法[1]。Kipp(1961年)用干氮气作为流动介质进行了实验,并将实验数据与氟利昂12和氟利昂22的实验数据进行比较,给出了相互之间的关系。Dietsch[2](1973年)也做了这方面的研究。在国内,上海机械学院的陈辉[3]对氮气流过毛细管的流动特性做了研究。他假设常温下氮气在毛细管中的流动是等温的,并依此建立了模型。以下学者则是以空气为流动介质所进行的研究:Gibbs(1950年),Shapva(1966年),Smith(1950年)和Sweedyk[4](1981年)。Smith通过实验得出流量和长度与内径之间的关系,他认为流量(以立方英尺/分钟为单位)与直径d2.5和长度L-0.505成正比,这与用制冷剂为流动介质得出的结论相近似;Sweedyk研究了粗糙度对流量的影响,他得出的结论与Mikol[5](1963年)的结论相一致,他认为粗糙度对流量的影响很大,最大可达6%,他采用了Moody公式来计算摩阻系数。